胡 歡

(上海寶山鋼鐵股份有限公司能源環(huán)保部，上海200941)

鍋爐燃燒控制系統(tǒng)是火力發(fā)電廠單元機(jī)組的主要控制系統(tǒng)之一，對(duì)于鍋爐的安全高效運(yùn)行和節(jié)能降耗具有重要意義[1-2]。發(fā)電鍋爐燃燒系統(tǒng)具有非線性、強(qiáng)耦合和大滯后等特點(diǎn)，控制難度大，故對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行有效控制已成為火力發(fā)電領(lǐng)域的一項(xiàng)重要研究課題[3]。實(shí)際工程應(yīng)用中，往往采用常規(guī)PID策略對(duì)發(fā)電鍋爐燃燒過程進(jìn)行控制，但無法徹底消除各回路之間的耦合現(xiàn)象，難以達(dá)到理想的控制效果。已有學(xué)者將預(yù)測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及改進(jìn)的PID控制等先進(jìn)控制理論應(yīng)用到鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中，如馮冬青等[4]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立鍋爐燃燒系統(tǒng)模型對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行控制，改善了系統(tǒng)的抗干擾性能，但只是針對(duì)燃燒系統(tǒng)中主蒸汽壓力這一子系統(tǒng)，沒有全面考慮整個(gè)燃燒系統(tǒng)的控制優(yōu)化；代自慧等[5]提出鍋爐模糊PID控制方案對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行控制，仿真結(jié)果表明控制效果較理想，但實(shí)際應(yīng)用中難以達(dá)到預(yù)期的控制效果；阮琦等[6]將改進(jìn)蟻群PID-神經(jīng)元解耦控制策略應(yīng)用到鍋爐主蒸汽壓力控制中，仿真結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)較大的非線性時(shí)難以達(dá)到預(yù)期的控制效果。綜上所述，對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行解耦優(yōu)化控制仍存在不足。為此，本文基于Smith預(yù)估補(bǔ)償器與解耦控制算法，提出一種鍋爐燃燒優(yōu)化控制策略，將鍋爐燃燒控制系統(tǒng)簡化為一個(gè)雙輸入、雙輸出控制系統(tǒng)，并對(duì)輸入輸出對(duì)象進(jìn)行解耦，再使用Smith預(yù)估補(bǔ)償器對(duì)控制系統(tǒng)中存在的滯后環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償，優(yōu)化控制效果。

1 Smith預(yù)估解耦控制策略

主蒸汽壓力和排煙氧量是燃煤發(fā)電鍋爐控制系統(tǒng)的兩個(gè)重要被控參數(shù)，主蒸汽壓力是反映鍋爐燃燒工況的關(guān)鍵參數(shù)，排煙氧量是鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要指標(biāo)。根據(jù)燃煤鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的需求，文中以噴煤量和送風(fēng)量為輸入量，利用不變性解耦原理的控制方法將系統(tǒng)的主蒸汽壓力和排煙氧量兩個(gè)相互耦合的控制回路解耦為兩個(gè)相互獨(dú)立的子系統(tǒng)，然后分別使用兩個(gè)PID控制器組成串級(jí)回路對(duì)解耦后的兩個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)進(jìn)行控制，并使用Smith預(yù)估補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償，以改善滯后補(bǔ)償控制效果。燃燒控制系統(tǒng)框圖如圖1。

圖1 燃燒系統(tǒng)Smith預(yù)估解耦控制框圖Fig.1 Smith predictive decoupling control block diagram of combustion system

圖1 中GC1(s)，GC2(s)，GC3(s)，GC4(s)分別為主蒸汽壓力、燃料流量、排煙氧量以及送風(fēng)量控制器，均使用PID控制器；G1(s)為燃料流量對(duì)象的傳遞函數(shù)；G2(s)為送風(fēng)量對(duì)象的傳遞函數(shù)；G11(s)，G21(s)，G12(s)，G22(s)分別為燃料流量和送風(fēng)量到主蒸汽壓力和排煙氧量的傳遞函數(shù)；D12(s)，D21(s)為組成解耦器；GL1(s)，GL2(s)為Smith預(yù)估補(bǔ)償器；R1為給定主蒸汽壓力；R2為給定排煙氧量；e1為主蒸汽壓力給定值與實(shí)際值偏差；e2為排煙氧量給定值與實(shí)際值偏差；U1為主蒸汽壓力控制器輸出值；U2為排煙氧量控制器輸出值；X1為燃料流量輸出值；X2為送風(fēng)量輸出值；Y1為主蒸汽壓力實(shí)際值；Y2為排煙氧量實(shí)際值。

1.1 不變性解耦原理

以雙輸入雙輸出系統(tǒng)為例[7-8]，其控制原理框圖如圖2。由圖2可知，系統(tǒng)內(nèi)控制通道傳遞函數(shù)為G11(s)和G22(s)，耦合通道傳遞函數(shù)為G12(s)和G21(s)，D12(s)和D21(s)為解耦支路。

圖2 不變性原理解耦控制框圖Fig.2 Decoupling control block diagram of invariance principle

輸出Y為：

記作

由圖2可知：

因此

記作

由不變性解耦原理可得：

化簡得：

由式(2)，(7)可得：

由此可見，引入解耦支路后，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣即轉(zhuǎn)化為對(duì)角陣，兩個(gè)相互耦合的系統(tǒng)解耦為兩個(gè)相互獨(dú)立的子系統(tǒng)。

1.2 Smith預(yù)估補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)

在非線性PID算法的基礎(chǔ)上，參考文獻(xiàn)[9-11]，設(shè)計(jì)Smith預(yù)估控制器對(duì)燃煤鍋爐系統(tǒng)中解耦后兩個(gè)相互獨(dú)立子系統(tǒng)的滯后環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償，以減小超調(diào)量，優(yōu)化控制效果。Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)姆蔷€性PID控制系統(tǒng)框圖如圖3。

圖3 中，GC(s)為控制器的傳遞函數(shù)，如果控制器的數(shù)學(xué)模型精確，G0(s)=Gm(s)，且不存在負(fù)荷擾動(dòng)(D=0)，則Y=Ym，Em=Y-Ym=0，X=Xm(G0(s)表示加入干擾系統(tǒng)的輸出，Ym表示未加干擾系統(tǒng)的輸出，Em表示兩者的差值，X為加干擾沒有滯后環(huán)節(jié)系統(tǒng)輸出，Xm表示未加入干擾沒有滯后環(huán)節(jié)系統(tǒng)輸出)，可用Xm代替X作為第一條反饋回路，實(shí)現(xiàn)將純延遲環(huán)節(jié)移到控制回路的外邊；如果模型不精確或出現(xiàn)負(fù)荷擾動(dòng)，則X≠Xm，Em=Y-Ym≠0，控制精度不能令人滿意，Em實(shí)現(xiàn)第二條反饋回路。這就是Smith控制策略。

圖3 Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)姆蔷€性PID控制系統(tǒng)Fig.3 Nonlinear PID control system with Smith pre-estimation and compensation invariance principle

2 Smith預(yù)估解耦控制策略的仿真分析

以某發(fā)電廠100 MW發(fā)電機(jī)組410 t/h燃煤發(fā)電鍋爐為仿真對(duì)象，主蒸汽壓力設(shè)定值為5.8 MPa，排煙氧量體積分?jǐn)?shù)設(shè)定值為1.6%。采用前饋補(bǔ)償綜合法和提出的Smith預(yù)估解耦控制策略對(duì)該燃煤發(fā)電控制系統(tǒng)中主蒸汽壓力和排煙氧量兩個(gè)相互耦合的調(diào)節(jié)回路進(jìn)行仿真控制。在鍋爐機(jī)組滿負(fù)荷的工況下，通過以太網(wǎng)將優(yōu)化系統(tǒng)與集散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)工程師站連接，利用OPC(ole for process control)讀取主蒸汽壓力和排煙氧量的參數(shù)，并用力控組態(tài)軟件進(jìn)行保存和顯示。對(duì)鍋爐2019 年8 月16 號(hào)20點(diǎn)至21點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，采樣時(shí)間為1 s，共獲得3 600組數(shù)據(jù)，采用Matlab軟件的Simulink仿真工具進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，根據(jù)文獻(xiàn)[12-13]得到主蒸汽壓力和排煙氧量回路的傳遞函數(shù)如下：

根據(jù)不變性解耦原理，由式(9)可得：

根據(jù)Smith預(yù)估補(bǔ)償原理，可知：

在燃煤鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，燃煤種類會(huì)發(fā)生變化，主蒸汽壓力也會(huì)隨之而改變，從而影響送風(fēng)量，導(dǎo)致排煙氧量改變。相互耦合的兩個(gè)控制回路，若一個(gè)回路出現(xiàn)擾動(dòng)，則會(huì)干擾另外一個(gè)回路。根據(jù)圖1所示鍋爐燃燒控制系統(tǒng)解耦控制框圖，設(shè)定仿真時(shí)間為2 000 s，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行1 000 s時(shí)，分別在兩個(gè)控制回路增加幅值為10%的階躍擾動(dòng)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4，5。

圖4 主蒸汽壓力控制回路施加擾動(dòng)時(shí)的仿真曲線Fig.4 Simulation curves of the main steam pressure control circuit under disturbance

圖5 排煙氧量控制回路施加擾動(dòng)時(shí)的仿真曲線Fig.5 Simulation curves of control circuit of oxygen content of exhaust gas under disturbance

從圖4 可看出：當(dāng)主蒸汽壓力回路加入10%的階躍擾動(dòng)時(shí)，本文控制策略下的主蒸汽壓力調(diào)節(jié)時(shí)間為83.33 s、超調(diào)量為9.50%，前饋補(bǔ)償綜合法下的調(diào)節(jié)時(shí)間為291.66 s、超調(diào)量為33.33%；本文控制策略下的排煙氧量調(diào)節(jié)時(shí)間為45.45 s、超調(diào)量為6.25%，前饋補(bǔ)償綜合法下的調(diào)節(jié)時(shí)間為136.36 s、超調(diào)量為9.75%。從圖5可看出：當(dāng)排煙氧量控制回路加入10%的階躍擾動(dòng)時(shí)，本文控制策略下的主蒸汽壓力調(diào)節(jié)時(shí)間為55.56 s、超調(diào)量為8.30%，前饋補(bǔ)償綜合法下的調(diào)節(jié)時(shí)間為222.22 s、超調(diào)量為29.10%；本文控制策略下的煙氣含有量調(diào)節(jié)時(shí)間為55.56 s、超調(diào)量為5.62%，前饋補(bǔ)償綜合法下的調(diào)節(jié)時(shí)間為222.22 s、超調(diào)量為13.11%。對(duì)比分析表明，提出的解耦控制策略控制效果優(yōu)于前饋補(bǔ)償綜合法的控制效果。

3 工程應(yīng)用

火力發(fā)電工程中的主蒸汽壓力指標(biāo)設(shè)定值為±1.5 MPa，排煙氧量指標(biāo)設(shè)定值為±1.8%。為驗(yàn)證本文提出解耦控制策略的有效性，以某發(fā)電廠100 MW發(fā)電機(jī)組410 t/h鍋爐燃燒控制系統(tǒng)為對(duì)象進(jìn)行工程應(yīng)用。采用AC系列PM590 PLC作為優(yōu)化控制系統(tǒng)的CPU，PLC通過網(wǎng)線與優(yōu)化控制系統(tǒng)連接。優(yōu)化控制系統(tǒng)通過OPC 協(xié)議實(shí)現(xiàn)與原DCS 系統(tǒng)之間的無擾切換以及數(shù)據(jù)的采集、處理、輸出。同時(shí)，使用力控組態(tài)軟件建立監(jiān)控組態(tài)畫面，并對(duì)數(shù)據(jù)的歷史趨勢進(jìn)行保存，實(shí)現(xiàn)報(bào)表統(tǒng)計(jì)、考核、參數(shù)設(shè)置、手自動(dòng)切換和語言報(bào)警等功能。

根據(jù)現(xiàn)場工況需求，采用燃料閥門開度、送風(fēng)機(jī)閥門開度和引風(fēng)機(jī)頻率值作為操縱變量，主蒸汽壓力、爐膛負(fù)壓和排煙氧量作為被控變量，電機(jī)電流、溫度等數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)連鎖保護(hù)條件，控制各被控量在設(shè)定值的合理范圍內(nèi)波動(dòng)，將本文提出的控制策略應(yīng)用于燃燒系統(tǒng)中，結(jié)果如圖6，7。圖6中數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)間為2019年11月28日，圖7中數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)間為2019年11月29日。從圖6，7可看出：采用本文控制策略時(shí)，主蒸汽壓力波動(dòng)范圍在設(shè)定值±0.3 MPa范圍內(nèi)，排煙氧量波動(dòng)值在設(shè)定值±0.5%范圍內(nèi)；采用前饋補(bǔ)償綜合法控制策略時(shí)，主蒸汽壓力和排煙氧量波動(dòng)均比較大。由此可見，本文提出的解耦控制策略再工程應(yīng)用中也具有良好的控制效果。

圖6 采用前饋補(bǔ)償法的主蒸汽壓力和排煙氧量趨勢曲線Fig.6 Trend curves of main steam pressure and oxygen content of exhaust gas with feedforward compensation method

圖7 采用解耦控制策略的主蒸汽壓力和排煙氧量趨勢曲線Fig.7 Trend curves of main steam pressure and exhaust gas oxygen with decoupling control strategy

4 結(jié) 論

將Smith 預(yù)估補(bǔ)償器與解耦控制算法相結(jié)合，提出一種鍋爐燃燒優(yōu)化的控制策略。Matlab 仿真結(jié)果表明，該控制策略能夠?qū)χ髡羝麎毫团艧熝趿康某{(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行有效控制，且控制效果優(yōu)于前饋補(bǔ)償綜合法。在仿真研究的基礎(chǔ)上，將提出的控制策略應(yīng)用于某電廠100 MW發(fā)電機(jī)組中，運(yùn)行結(jié)果表明，主蒸汽壓力和排煙氧量控制效果均達(dá)到控制指標(biāo)的要求，提出的解耦控制策略具有良好的控制效果。